摘要:傳統(tǒng)恒溫差式(shi)熱式流量(liang)計
受到測(cè)量電路本(ben)身限制，最(zuì)大加熱電(dian)流受限，因(yin)此🍓測量範(fàn)圍🚶♀️有限。設(she)計研制了(le)一種結合(he)恒溫差法(fa)和恒功率(lǜ)法的熱式(shi)質量流量(liang)計
。該流量(liang)計是基于(yú)托馬斯理(li)論，對功耗(hào)和溫差進(jin)行采集,從(cóng)而測得流(liú)量。相比于(yu)傳統恒溫(wen)差式質量(liàng)流🔞量計,該(gāi)流量計在(zai)低流速時(shi)通過對橋(qiáo)式電路電(diàn)壓差采集(ji)，以控制👄數(shu)字電位器(qi)改變輸入(ru)總電壓,從(cong)而實現探(tàn)頭間溫度(dù)差恒定，測(ce)量功耗測(cè)得流量;而(er)在💚高流速(su)時，通過數(shu)字電位器(qi)控制功率(lǜ)恒定,探測(ce)電路各個(gè)參數,從🌈而(er)計算得到(dao)溫度差,測(cè)得流量。該(gai)流量計針(zhēn)對内徑80mm的(de)管道,測量(liàng)範圍爲0~1500m³/h,量(liang)程約爲傳(chuán)統🏃🏻♂️恒溫差(cha)式流量計(jì)的1.3倍,相對(dui)誤差小于(yu)1%，滿足實際(jì)使🆚用需求(qiú)。相比于傳(chuan)統恒功率(lü)式流量計(ji),該流量計(jì)測低流速(sù)時精度更(geng)高。
随着科(kē)學技術和(he)工業生産(chan)的迅猛發(fa)展，氣體質(zhì)量的💔測量(liàng)在科🧑🏾🤝🧑🏼學研(yan)究、工業生(shēng)産和日常(cháng)生活中愈(yu)加💔重要。近(jin)年來，熱式(shì)質💯量流量(liàng)計憑借其(qi)精度高、大(dà)量程比、便(biàn)🏃🏻♂️于安裝🥵維(wei)護、無機械(xie)磨🍉損等優(yōu)點成爲當(dāng)今研究的(de)熱點方向(xiàng)。
然而很少(shao)有人就同(tóng)一口徑的(de)寬量程熱(re)式流量計(ji)進㊙️行🈲專門(mén)研究。對于(yú)傳統的恒(héng)溫差熱式(shì)質量流量(liàng)🧡計，需要改(gǎi)變測速電(diàn)阻的加熱(rè)功率來保(bao)證溫度差(cha)恒定，但☎️是(shi)由于測量(liàng)電路本身(shen)限制，導緻(zhi)最大加熱(rè)🏃🏻電流受限(xiàn)🔞，因此可精(jīng)準測量範(fan)圍有限［7］。基(jī)于陶瓷基(jī)體薄膜電(dian)阻熱式流(liu)量計🏃，雖然(ran)解決了量(liàng)程上限問(wen)題，但其對(duì)小流量無(wú)法測量。而(er)💁傳統的恒(héng)功率熱式(shi)質量流量(liàng)計雖然量(liàng)程足夠，但(dàn)其在測小(xiao)流量時采(cǎi)用較大的(de)加熱功率(lǜ)，探頭間的(de)自然對流(liu)傳熱不能(néng)忽略，無法(fǎ)保證小流(liu)量💰測量精(jīng)度。
針對以(yǐ)上問題，設(she)計了一種(zhong)基于雙測(ce)試原理的(de)熱式質🌈量(liang)流量計。該(gai)流量計基(jī)于托馬斯(si)理論，将恒(héng)溫差法和(hé)恒功率法(fǎ)相結合⭕，通(tong)常測量時(shi)采用恒溫(wen)差法進行(háng)氣體質量(liàng)測量，通過(guo)數字電位(wèi)㊙️器保持兩(liǎng)探⚽頭之間(jian)的溫差爲(wèi)100℃，測量速度(dù)探⚽頭的功(gong)耗，根據功(gōng)耗與流量(liang)的關✂️系求(qiu)得流量;測(ce)大流速時(shi)自動切換(huan)至📐恒功率(lǜ)法進行測(cè)量，保持速(sù)度探頭的(de)功耗，測量(liàng)兩✍️探頭之(zhī)間的溫度(dù)差，根據👉溫(wēn)差與流量(liàng)的關系求(qiú)得流量。該(gāi)流量計有(you)效😘地解決(jue)了流量計(jì)量程不足(zú)問題，且在(zai)各個測量(liang)區間💞内的(de)精度都滿(mǎn)足使用需(xū)求。
1熱式質(zhì)量流量計(jì)測量原理(li)
本熱式質(zhì)量流量計(jì)是基于傳(chuan)統的托馬(mǎ)斯流量計(jì)以改良。熱(re)式氣體質(zhi)量流量計(ji)利用了熱(rè)傳導原理(lǐ)，其傳感器(qi)由兩個基(ji)😍準級熱電(dian)阻(ＲTD)組成，其(qí)一是速度(du)探頭T1［11］，另一(yī)個是溫度(du)探頭T2。托馬(mǎ)斯流量計(ji)的原理［12］是(shì)，速度探頭(tóu)因流體流(liú)動而産生(shēng)溫度變化(hua)，測量溫度(dù)變化來反(fǎn)映❓質量流(liu)量，或✌️者測(cè)量所需能(néng)量與流體(ti)⁉️質量之間(jiān)的關系。依(yi)據托馬斯(sī)理論，流過(guo)速度探頭(tóu)的流量與(yu)速度探頭(tou)的能量消(xiao)耗可由式(shì)(1)表示。
式中(zhōng)，Q爲速度探(tàn)頭單位時(shí)間内消耗(hào)的能量，單(dan)位爲J;C爲空(kōng)氣的比熱(rè)容，單位爲(wei)J/(kg·℃);ΔT爲速度探(tan)頭和溫度(dù)探頭之間(jiān)的溫度差(chà)，單位爲℃;ρ爲(wei)密度，單位(wei)爲kg/m3;q爲流經(jīng)速度探頭(tou)的空氣的(de)❗質量流量(liang)，單位爲m³/h。
由(you)式(1)可知，C爲(wèi)定值，q隻與(yǔ)Q和ΔT有關。
若(ruo)保持兩探(tan)頭之間的(de)溫度差，則(ze)流量q隻與(yǔ)速度探頭(tou)的功⭕耗Q有(you)關;若保持(chí)速度探頭(tou)的功耗Q，則(zé)流量q隻與(yǔ)兩探頭之(zhi)間的溫度(dù)差🚶♀️ΔT有關。前(qian)者爲恒溫(wēn)差測量原(yuan)理，後者爲(wèi)恒功率測(ce)㊙️量原理。
本(ben)文設計的(de)熱式質量(liàng)流量計是(shi)依靠橋式(shi)電路來分(fèn)别實現恒(héng)定雙探頭(tou)之間的溫(wēn)差和控制(zhi)速度探頭(tou)的💘功耗，速(sù)度探頭選(xuǎn)用🌐PT20，溫度探(tàn)頭選用PT1000，溫(wen)度補償⭐電(diàn)阻爲Ｒ溫補(bǔ)，鄰橋電阻(zǔ)🙇🏻分别爲❤️Ｒ1和(he)Ｒ2，原理🈲圖如(rú)圖1所示。
想(xiǎng)要保持兩(liang)探頭溫差(cha)，隻要保證(zhèng)電橋平衡(heng)即可。由式(shì)(2)可知:當(ＲPT1000+Ｒ溫(wēn)❄️補)×Ｒ2=ＲPT20×Ｒ1時，電橋(qiao)保持平衡(héng)。當有空氣(qi)流經速度(dù)探頭帶走(zǒu)熱量後，ＲPT20阻(zǔ)值下降，電(diàn)橋平衡被(bèi)打破。增大(dà)電勢差U1，從(cong)而增大PT20支(zhī)路電流I1，ＲPT20溫(wēn)度上升，阻(zu)值增加💞，電(dian)橋平衡;想(xiang)要保持✉️速(sù)度探頭的(de)功耗不變(biàn)，隻需在ＲPT20阻(zu)值下降後(hòu)減小U1的值(zhi)，使得ＲPT20的功(gong)耗恒定。
本(běn)流量計的(de)速度電阻(zu)最大允許(xǔ)電流爲100mA。如(ru)讓雙探頭(tou)溫差恒定(ding)100℃，假設當前(qián)環境溫度(du)20℃，速度探頭(tóu)溫度爲120℃，根(gen)據鉑電阻(zu)公式(3)可得(de)
如上所示(shì)，量程範圍(wei)受最大電(diàn)流限制。想(xiǎng)要拓寬量(liang)程，不妨将(jiang)兩種方法(fa)相結合。在(zài)速度探頭(tóu)的電流達(da)到0.09A之🛀前采(cǎi)🌐用恒溫差(chà)法進行測(ce)量，在0.09A之後(hòu)采取恒功(gōng)率法進行(háng)測量。0.09A時速(sù)度探頭功(gōng)耗爲0.237W，以此(ci)功耗爲恒(héng)定功耗，流(liú)過速度探(tan)💔頭的流量(liàng)與溫度差(cha)之間的關(guan)系如式(5)和(he)圖3所示，對(duì)于溫🔱差爲(wei)50～100℃時具有較(jiào)好的靈敏(min)度。溫差爲(wei)50℃時，此時速(sù)度探頭支(zhī)路電流爲(wei)0.096A，小于最大(da)電流，所測(ce)流量爲♈1.31869×10-2m3/h。
恒(heng)溫差法所(suǒ)測最大量(liang)程8.14174×10-3m3/h遠遠小(xiao)于恒溫差(cha)法和恒功(gong)率法相結(jie)合所測量(liàng)程1.31869×10-2m3/h。由此可(kě)得，采用恒(héng)溫差法😘和(hé)恒☎️功率法(fǎ)相結合的(de)方法，可以(yǐ)極大地拓(tuo)寬熱式質(zhi)量流量計(jì)的量程，且(qie)相比于傳(chuán)統恒功率(lǜ)法，在測小(xiǎo)流量時🌏功(gong)耗更低。
2硬(ying)件電路設(she)計
系統框(kuàng)圖如圖4所(suǒ)示。電路主(zhǔ)要分爲3部(bù)分:信号調(diao)理電路、電(dian)源電路和(hé)控制電路(lu)。信号調理(li)電路由橋(qiáo)式🐕電路和(he)差🏃♂️分放大(dà)電路組成(cheng);電源電路(lù)由LM317和數字(zì)電🏃♂️位器X9111組(zǔ)💃🏻成;控制電(dian)路主要以(yi)STM32F103C86T爲核心。雙(shuang)探頭的阻(zǔ)值随着溫(wēn)度和流量(liàng)的變化而(ér)變化。因此(ci)信号調理(lǐ)電🐉路的平(ping)衡被打破(po)，其信号由(yóu)控制電路(lù)采集進行(háng)判斷。STM32根據(ju)當前速度(du)探頭支路(lù)電流進行(háng)判斷。如☔果(guǒ)小🏃♀️于0.09A，采用(yòng)恒溫差法(fǎ)，調節電👉源(yuan)輸入，使得(de)電橋保持(chí)平🧑🏾🤝🧑🏼衡，采集(jí)電流值，依(yi)據電流與(yǔ)流量之間(jiān)的🐇關系求(qiú)得流量;如(rú)果大于0.09A，采(cai)用恒功率(lǜ)法，調節電(diàn)源輸入，使(shi)得🎯速度探(tàn)頭功耗恒(heng)定，測得雙(shuāng)探頭溫度(du)差，依據溫(wen)度差與流(liu)量之間的(de)關系求🌍得(de)流量。最後(hòu)所測結果(guǒ)通過USAＲT接口(kou)傳輸至上(shàng)位機。
2.1信号(hào)調理電路(lù)
信号調理(lǐ)電路如圖(tú)5所示，信号(hào)調理電路(lù)相鄰兩端(duan)爲✨PT20和PT1000，另外(wài)兩端電阻(zu)爲20Ω的電阻(zǔ)Ｒ2和1kΩ的電阻(zǔ)Ｒ1，在PT1000電阻一(yi)✂️端有❄️補償(chang)電阻Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2兩(liang)端的電勢(shì)差經差分(fèn)放大後爲(wèi)U2。差分放大(da)電路中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可(kě)調💃直流電(diàn)👉源提供電(dian)壓U1。無任何(hé)氣體流過(guò)時，速度探(tàn)頭的溫度(dù)比溫度探(tàn)頭高100℃，補償(chang)💜電阻Ｒ3保證(zhèng)電橋平衡(heng)，此時電勢(shi)差U2爲0，電💘勢(shi)差U2由AD7066芯片(pian)進行采集(ji)。Ｒ1、Ｒ2兩端電壓(yā)U3、U4由AD7066采集後(hou)，除去阻值(zhi)即可💚得到(dào)💋速度探頭(tou)和溫度探(tàn)頭支路電(diàn)流I1和I2。若I1值(zhi)小于0.09A，采用(yong)恒溫差法(fa)，根據I1值求(qiu)得流量。當(dang)進氣流🐅量(liang)增大時，速(sù)度探頭發(fa)生熱對流(liu)，被氣體帶(dài)🐆走一部分(fèn)熱量，溫度(du)降低，阻值(zhi)減小，電橋(qiáo)平衡被打(da)破。控制電(dian)路根據電(dian)勢差U2增大(dà)U1輸入，I1增大(da)使得速🚶度(dù)探頭功耗(hào)增大，溫度(du)🐇上升，阻值(zhi)上升，電橋(qiao)重新平衡(héng);而當進氣(qi)流量減小(xiǎo)，速度探頭(tóu)溫度升高(gao)，阻值增加(jiā)，則減小U1輸(shu)入，減小I1，減(jiǎn)小速度探(tàn)頭功耗，速(sù)度探頭溫(wēn)度降低，阻(zu)值減小，電(diàn)✨橋重新平(píng)衡。若I1值大(dà)于0.09A，采用恒(héng)功率法🧡進(jin)行測量，根(gēn)據溫度差(chà)求得流量(liang)。進氣流量(liang)增大，速度(du)探頭溫度(du)降低，阻值(zhí)減小，功耗(hào)增大，減小(xiao)🏒U1輸入，使得(de)速🌈度探頭(tóu)🐇功耗維持(chí)定值;進氣(qì)流量減小(xiǎo)，速度探頭(tóu)溫度升高(gao)，阻值增大(dà)，功耗減小(xiǎo)，增大U1輸入(ru)，使得速度(du)✔️探頭功耗(hao)❗維持定值(zhi)。溫度差公(gōng)👨❤️👨式如式(6)所(suǒ)示。
2.2電源電(diàn)路
電源電(dian)路如圖6所(suǒ)示，以LM317爲核(hé)心。LM317是應用(yòng)最爲廣泛(fàn)的電源集(ji)成電路之(zhi)一，它不僅(jǐn)具有固定(ding)式三端穩(wen)壓電路的(de)最簡單形(xíng)式，又具備(bei)輸出電壓(ya)可調的特(te)點。此外，還(hai)具有調壓(ya)範圍寬、穩(wen)壓性能好(hao)🧑🏽🤝🧑🏻、噪聲低、紋(wen)波抑制比(bǐ)高等優點(dian)。選用數字(zì)電位器X9111作(zuo)爲💋可調電(dian)阻ＲL。X9111總共擁(yōng)有1024個軸頭(tóu)，采用SPI接口(kǒu)通信，具有(yǒu)使用靈活(huo)、調節精度(dù)高等優點(dian)。X9111最大阻值(zhí)爲💰100kΩ，同時其(qí)功耗相比(bi)于其他電(dian)位器而言(yán)很低。
2.3控制(zhì)電路
控制(zhì)電路以STM32F103C8T6爲(wèi)核心組成(cheng)最小系統(tǒng)，引出足夠(gou)的I/O口以作(zuò)拓展。因🔴爲(wei)信号調理(lǐ)電路輸出(chū)的電勢差(cha)U2具有正負(fù)極性，所以(yi)STM32F103C8T6自帶AD采集(ji)無法滿足(zú)要求，選用(yòng)AD7066芯片進行(hang)采⭐集。AD7066自帶(dai)數字濾波(bo)器，有8個采(cǎi)集通道，支(zhi)持真正±10V或(huò)±5V的雙極性(xing)信号輸入(ru)電流。AD7066有并(bing)口接線和(he)SPI串口接線(xiàn)兩種接線(xiàn)方式，此處(chù)采用SPI串口(kou)接線。STM32最小(xiǎo)系統與AD7066之(zhi)間的接線(xian)如表1所示(shi)。AD7066的V1～V4口分别(bie)采集U1～U4的電(dian)壓值。STM32通過(guò)對電位器(qi)X9111的🧡ＲL控制改(gǎi)變電源輸(shu)出電壓大(da)小。STM32的PB13口接(jiē)X9111的SCK口，PB14口接(jie)X9111的SO口😄，PB15口接(jie)SI口。
3數據處(chu)理
爲了驗(yan)證本流量(liàng)計的可行(háng)性與穩定(dìng)性，對流量(liang)計進行系(xì)統⛱️性的測(ce)試。每次測(ce)試時間爲(wèi)30s，由音速噴(pen)嘴向管道(dào)均勻吹風(fēng)。測試管🙇🏻道(dào)内徑爲80mm，大(da)氣壓力爲(wèi)100.628kPa，室溫爲29.5℃。在(zài)管道前端(duan)由标準質(zhi)量測量儀(yi)測得噴嘴(zuǐ)總量，管道(dào)後端本流(liú)量計測瞬(shun)時😄流量。待(dài)測試完成(cheng)，調節流速(sù)，繼續下一(yi)組測量。測(ce)試平台如(ru)圖7所示，所(suo)測結果如(rú)表2所示。
由(yóu)表2數據可(kě)知，數據2、3因(yīn)爲所測流(liu)量較小，所(suǒ)以相對誤(wu)差🔱偏大。而(er)👅流速超過(guo)42．356m/s後，流量計(jì)轉用恒功(gōng)率法測量(liang)，相對誤差(cha)有所減小(xiǎo)。流量計量(liàng)程約爲0～1500m3/h，誤(wù)差在1%之内(nei)，滿足使用(yòng)需求。
爲驗(yàn)證流量計(ji)穩定性，在(zài)實驗平台(tái)正常工作(zuo)的情況下(xia)🈲調節㊙️流速(su)，使得平均(jun)流量在96m3/h的(de)前提下連(lián)續采集6組(zu)瞬時流量(liàng)數據，所測(cè)結果如表(biao)3所示。
由表(biao)3可知，流量(liang)計所測的(de)瞬時流量(liàng)的最大變(bian)化量爲0.142m3/h，具(ju)有較好的(de)穩定性，能(neng)夠準确地(di)對管道瞬(shun)時流量進(jìn)行測量。
4結(jié)束語
本熱(re)式流量傳(chuan)感器，根據(ju)速度探頭(tóu)支路電流(liu)大小切換(huan)❓恒🔞溫差法(fǎ)和恒功率(lü)法對空氣(qi)流量進行(háng)測量。本流(liú)量計♈相比(bi)于傳統恒(héng)溫差式流(liú)量計，可以(yi)在速度探(tan)頭電
流接(jie)近最大值(zhi)時，切換至(zhì)恒功率法(fǎ)繼續進行(háng)測量👣，拓寬(kuan)了流量計(ji)的量程。且(qiě)相比于恒(héng)功率流量(liang)計，本💋流量(liang)計在測小(xiǎo)流量時功(gōng)耗更低，精(jing)度更高。但(dan)相對于傳(chuán)統的恒溫(wēn)差式熱式(shi)流量計采(cai)用🐆三極管(guǎn)對電流直(zhí)接控制，本(ben)流量💋計是(shì)通過STM32對電(dian)位器控制(zhì)從而調節(jie)電源輸入(rù)，在響應方(fāng)面比起傳(chuán)統恒溫差(cha)式流✏️量計(ji)稍慢，還需(xu)進一步改(gǎi)進。
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